гармоника что это в электротехнике
Гармонические составляющие сети. Что это такое и как с ними быть
2020-12-17 
Статьи 
2 комментария
Как нам хорошо известно, сетевое напряжение имеет синусоидальную форму и частоту равную 50 Гц. Это в идеале, но на практике так бывает далеко не всегда. И дело здесь в гармонических составляющих сети — высших гармониках, представляющих из себя частотные сигналы, отличающиеся от основной частоты, и вносящих искажения в синусоидальную форму питающего напряжения, а это в свою очередь становится причиной ухудшения качества электроэнергии, нарушению нормальной работы электропотребителей и т.д.
Откуда же берутся эти гармонические составляющие?
Дело в том, что в цепях с линейной нагрузкой, к которым можно отнести сопротивление, индуктивность, емкость, протекающий через нагрузку ток пропорционален прикладываемому напряжению и следовательно синусоидальной форме сигнала напряжения соответствует токовая синусоида, поэтому разность фаз между ними равна нулю. А вот в случае, если наблюдается нелинейная зависимость протекающего тока от приложенного напряжения, синусоидальная форма сигнала искажается.
Связано это в первую очередь с ростом количества электрооборудования, имеющего нелинейные характеристики, вызванные наличием в схемотехнике полупроводниковых элементов. Наиболее «проблемными» в этом плане являются тиристорные регуляторы, преобразователи частоты, источники бесперебойного питания, электронные балласты, сварочные аппараты, электродуговые печи и другое оборудование с импульсными источниками питания.
Это приводит к возникновению импульсных токов, содержащих большое количество гармонических составляющих, так называемых высших гармоник, отличающихся от основной гармоники, которые затем попадают в электрические сети и вносят искажения. Гармоники образуются на частотах, кратных основной. Так, первая (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, частота гармоники 3-го порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники 5-го порядка – 250 Гц и т.д. Получается, что реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного синусоидального сигнала и его гармонических составляющих.
Надо учитывать, что полностью избавиться от влияния гармонических составляющих невозможно, и пока уровень гармоник не превышает допустимых норм, в принципе можно не беспокоиться о каких-то серьезным последствиях. Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения для сетей 0,38 кВ составляет 8 %, а предельно допустимое — 12 %. Также в этом ГОСТ приведены допустимые значения для каждой n-ой гармонической составляющей, например для 3-ей гармоники это 5%, для 5-ой гармоники – 6,0 %, для 7-ой гармоники – 5 % и т.д. Считается, что наибольшие искажения в синусоидальный сигнал вносят гармоники 3, 5, 7 порядка.
Немного расчётов
Параметр, указывающий на уровень влияния нелинейных искажений, или по другому степень отличия формы сигнала от синусоидальной, называется коэффициентом нелинейных искажений Ku (THD — Total Harmonic Distorsions).
U (1) – действующее значение напряжения 1-ой гармоники
U (2), U (3) … U (40) – действующие значения напряжения высших гармоник.
Таким образом можно определить общую долю суммарного напряжения высших гармоник по отношению к напряжению основной частоты.
Еще одним параметром является коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения
n — номер гармонической составляющей, кратной основной частоте
По этой формуле вычисляется вклад конкретной гармоники в общие искажения.
Основные характеристики гармоник
Все гармоники можно разделить по трем основным характеристикам — порядковому номеру, частоте и типу последовательности.
Последствия возникновения
Какие же проблемы приносят гармонические составляющие в случае отклонения от предельно допустимых показателей?
На самом деле негативных воздействий немало, это увеличение потерь в сетях, перегрев трансформаторов,перегрузки на нейтральных проводах, гармонические шумы, искажение формы синусоидальной кривой, перегрузка и следовательно уменьшение срока службы конденсаторов коррекции коэффициента мощности, поверхностный эффект. И это еще перечислены не все негативные последствия данного эффекта. Все эти факторы приводят в конечном итоге к экономическим, энергетическим потерям и сокращению срока службы оборудования.
Измерение показателей гармоник в сети
Для анализа качества электросети и выявления высших гармоник применяются, в частности, многофункциональные измерительные приборы или по другому анализаторы качества электроэнергии.
Они позволяют получать подробную информацию по всем основным характеристикам качества электроэнергии, таким как:
И целый ряд других параметров, которые по совокупности позволяют получить точную оценку не только гармонических величин, но и провести полный анализ состояния сетей.
Кроме этого, анализаторы имеют дополнительные функции, такие как ведение журнала событий, проверка последовательности чередования фаз, передача данных на верхний уровень по интерфейсу RS-485 или Ethernet, светодиодная индикация, дискретные входы и выходы.
Способы уменьшения гармонических составляющих
На основании полученных данных можно принимать решения о внедрении средств, направленных на уменьшение гармонических составляющих.
К основным способам уменьшения гармоник относятся разделение линейных и нелинейных нагрузок, обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы, снижение полного сопротивления распределительной сети за счет увеличения сечения кабелей, применение линейных дросселей, применение изолирующих трансформаторов с обмотками «треугольник» и «звезда», применение пассивных и активных фильтров.
Одним из наиболее простых способов снижения уровня высших гармоник является установка линейных дросселей переменного тока. В частности, такой способ фильтрации широко применяется для подавления помех, возникающих при работе частотных преобразователей.
Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и большое значение сопротивления для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. Помимо дросселей переменного тока, для частотных преобразователей могут применяться и дроссели звена постоянного тока.
Помимо дросселей широко применяются пассивные и активные фильтры.
Пассивный фильтр гармоник
Пассивные фильтры строятся на основе индуктивно-емкостной схемы (LC-фильтры), состоящей из продольных индуктивностей и поперечной цепи, состоящей из последовательно включенных индуктивности и емкости которые образуют последовательный колебательный контур, настроенный на определенную гармонику. Если необходимо уменьшение коэффициента искажения по нескольким гармоникам, можно использовать несколько параллельно включенных фильтров. Такой метод часто используется в цепях с источниками бесперебойного питания ( UPS).
Недостатком такого метода является его ограниченный только определенными гармониками эффект, поэтому для подавления всего спектра гармонических составляющих в сети используются активные фильтры.
Активный фильтр гармоник
Активный фильтр гармоник (АФГ) представляет собой электронное устройство, можно сказать является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники. Принцип действия основан на анализе гармоник нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник, но противофазе. В результате высшие гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения фильтра и на выходе получается почти синусоидальная форма.
Такой метод благодаря своей эффективности является одним из наиболее действенных способов подавления высших гармоник, но не самым дешевым. Его применение оправдано там, где наблюдается большой уровень искажений.
Гармонические колебания – искажения синусоидальной формы напряжения и тока. Эти явления возникают в сетях переменного тока при переходных процессах, подключении нелинейной нагрузки. Появление гармоник вызывают:
В процессе работы этого оборудования возникает паразитная ЭДС, которая накладывается на синусоидальный сигнал. В результате появляются провалы, скачки и другие искажения.
Влияние гармоник на электрооборудование
Гармонические колебания в сети оказывают негативное влияние на работу электрооборудования. К ним относятся:
Последствия влияния гармоник
Искажения формы переменного тока и напряжения снижают срок службы изоляции, конденсаторов, качество напряжения в сети, увеличиваиют погрешности средств измерений. Это приводит:
Высшие гармоники вызывают значительные экономические убытки.
Способы защиты от высших гармоник для частотных преобразователей
Преобразователи частоты содержат инверторы и ШИМ-модуляторы, которые являются источниками искажения напряжения в сети. Это отрицательно сказывается как на работе электродвигателей, так и на качестве электроэнергии в сети. Для защиты от этого явления используют различные фильтры.
Эти устройства устанавливают во входной и выходной цепях преобразователей частоты. Для защиты от искажений формы напряжения и тока применяют:
При выборе фильтра необходимо убедиться, что конкретная модель преобразователя частоты совместима с типом защитного устройства. Эта информация указана в технической документации ПЧ. Компания «Данфосс» выпускает несколько линеек частотных преобразователей со встроенными фильтрами высших гармоник. Это избавляет от необходимости рассчитывать характеристики устройств и расходов на покупку дополнительного оборудования.
FAQ по гармоникам
Что такое гармоники?
Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной. Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.
Основной частотой 50 Гц(т.е. 1-я гармоника = 50 Гц 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.
Когда возникают гармоники?
Гармонические искажения возникают при работе нелинейных потребителей тока (в том числе частотных преобразователей).
Какие гармоники не появляются от работы ПЧ?
При работе от преобразователя частоты не появляются четные гармоники.
Чем опасны гармоники по току?
Гармонические искажения тока вызывают перегрев силового трансформатора, повышенное потребление реактивной мощности, увеличение потерь в меди силовых проводов и трансформатора. Они являются причиной появления гармоник по напряжению.
Чем опасны гармоники по напряжению?
Наличие гармонических искажений по напряжению приводят к выходу из строя оборудования.
Как бороться с гармониками?
Гармонические искажения можно уменьшать при помощи входных фильтров. Например, в серии VLT HVAC Basic FC 101 имеется встроенный фильтр гармоник на звене постоянного тока.
Что такое гармоники в электрических сетях
Определение гармоник
График сигнала, который изменяется по синусоидальному закону, имеет вид:
Но это значительно отличается от реальной формы напряжения в электрической сети:
Эти зазубрины и всплески и вызваны гармониками. Мы попытаемся рассказать об этом явлении простыми словами. Изображенный выше график можно представить как сумму сигналов различной частоты и величины. Если всё это сложить, то в результате получится именно такой сигнал. Пример и результат сложения сигналов изображен на графике ниже:
Гармоники различают по номерам, где первая гармоника — это та составляющая, у которой самая большая величина. Однако такое описание слишком кратко. Поэтому давайте приведем формулу определения величины гармоники. Это возможно при гармоническом анализе и разложении в ряд Фурье:
Из этой формулы можно выделить и величины частот и фаз гармонических составляющих электрической сети и любого другого синусоидального сигнала.
Источники помех
К источникам помех можно отнести целый ряд оборудования, начиная от бытовых приборов, заканчивая мощными промышленными электрическими машинами. Для начала давайте кратко рассмотрим причины их возникновения.
Гармоники в электрической сети переменного тока возникают из-за особенностей электрооборудования, например из-за нелинейности их характеристик, или характера потребления тока.
Например, в трёхфазных сетях в магнитопроводах трансформаторов длины магнитных путей средних и крайних фаз различаются почти в 2 раза, поэтому и токи их намагничивания различаются до полутора раз. Отсюда возникают гармоники в трёхфазных сетях.
Другой источник помех в электротехнике — это электродвигатели, как трёхфазные синхронные и асинхронные, так и однофазные, в том числе и универсальные коллекторные двигатели. Последний тип двигателей используется в большей части бытовой техники, например:
В результате работы импульсных блоков питания возникают высокочастотные гармоники (помехи) в электрической сети. Чтобы понять как они образуются, нужно иметь сведения об их внутреннем устройстве. Это связано с тем, что ток первичной обмотки ИБП отличается от непрерывного, он протекает только тогда, когда открыт силовой полупроводниковый ключ. А последний открывается и закрывается с частотой выше 20 кГц.
Интересно: Рабочая частота некоторых современных импульсных блоков питания достигает 150 кГц.
Для уменьшения этих гармоник используют фильтры электромагнитных помех, например, синфазный дроссель и конденсаторы. Для улучшения графика потребления тока относительно питающего однофазного напряжения используют активные корректоры коэффициента мощности (рус. ККМ, англ. PFC).
Такие блоки питания установлены в:
Также к этим источникам питания можно отнести и преобразователи частоты.
Последствия гармонических помех
Наличие гармоник в электрической сети переменного тока вызывает определенные проблемы. Среди них – повышенный нагрев электродвигателей и питающих проводов. Последствия влияния гармоник – это вибрация двигателей. Дальнейшие последствия могут быть различными – начиная от ускоренного износа подшипников ротора двигателя, заканчивая пробоем на корпус обмоток от повышенного нагрева.
В электрике встречаются ложные срабатывания коммутационной и защитной аппаратуры – автоматических выключателей, контакторов и магнитных пускателей. В звуковой аппаратуре и технике для связи из-за гармоник возникают помехи. С ними борются аналогично – установкой фильтров электромагнитных помех.
На видео ниже рассказывается, что такое гармоники и интергармоники в электросети:
В заключение хотелось бы отметить, что гармоники в электрических сетях в принципе не несут никакой пользы. Они лишь вызывают неисправности, ложные срабатывания коммутационной аппаратуры и прочие проявления нестабильности в работе. Это может нести не только неудобства в эксплуатации, но и экономические проблемы, убытки и аварийные ситуации, которые могут быть опасны для жизни.
Материалы по теме:
Гармоники обычно классифицируются по двум различным критериям: тип сигнала (напряжение или ток) и порядок гармоники (четный, нечетный, тройной или нечетный, нечетный); в трехфазной системе их можно дополнительно классифицировать в соответствии с их последовательностью фаз (положительная, отрицательная, нулевая).
СОДЕРЖАНИЕ
Гармоники тока
Гармоники тока вызваны нелинейными нагрузками. Когда к системе подключена нелинейная нагрузка, такая как выпрямитель, она потребляет ток, который не обязательно является синусоидальным. Искажение формы сигнала тока может быть довольно сложным в зависимости от типа нагрузки и ее взаимодействия с другими компонентами системы. Независимо от того, насколько сложной становится форма волны тока, преобразование ряда Фурье позволяет разбить сложную форму волны на серию простых синусоид, которые начинаются на основной частоте энергосистемы и возникают на целых кратных основной частоте.
В энергосистемах гармоники определяются как положительные целые числа, кратные основной частоте. Таким образом, третья гармоника является третьей кратной основной частоты.
Гармоники в энергосистемах генерируются нелинейными нагрузками. Полупроводниковые устройства, такие как транзисторы, IGBT, МОП-транзисторы, диоды и т. Д., Являются нелинейными нагрузками. Другие примеры нелинейных нагрузок включают обычное офисное оборудование, такое как компьютеры и принтеры, флуоресцентное освещение, зарядные устройства для аккумуляторов, а также приводы с регулируемой скоростью. Электродвигатели обычно не вносят значительного вклада в генерацию гармоник. Однако как двигатели, так и трансформаторы будут создавать гармоники, когда они перенапряжены или насыщены.
Нелинейные токи нагрузки создают искажение чистой синусоидальной формы волны напряжения, подаваемой от электросети, и это может привести к резонансу. Четные гармоники обычно не существуют в энергосистеме из-за симметрии между положительной и отрицательной половинами цикла. Кроме того, если формы сигналов трех фаз симметричны, гармонические составляющие, кратные трем, подавляются за счет треугольного (Δ) соединения трансформаторов и двигателей, как описано ниже.
Если мы сосредоточимся, например, только на третьей гармонике, мы сможем увидеть, как все гармоники, кратные трем, ведут себя в системах мощности.
Гармоники напряжения
Четные, нечетные, тройные и нечетные нечетные гармоники
Гармоники искаженного (несинусоидального) периодического сигнала можно классифицировать по порядку.
Четные гармоники
Нечетные гармоники
Тройные гармоники
В triplen гармоник искаженного (несинусоидальным) периодического сигнала являются гармониками, частота которых является нечетным целым кратным частоты третьей гармоники (S) искаженного сигнала. Итак, их порядок определяется:
Все тройные гармоники также являются нечетными, но не все нечетные гармоники также являются тройными гармониками.
Нетройные нечетные гармоники
Все гармоники, которые не являются четными или тройными гармониками, также являются нечетными гармониками, но не все нечетные гармоники также являются гармониками, которые не являются четными или тройными гармониками.
Если основная составляющая исключена из гармоник, которые не являются четными или тройными, то порядок остальных гармоник определяется следующим образом:
Гармоники прямой, обратной и нулевой последовательности
В случае сбалансированных трехфазных систем (трехпроводных или четырехпроводных) гармоники набора из трех искаженных (несинусоидальных) периодических сигналов также могут быть классифицированы в соответствии с их последовательностью фаз.
Гармоники прямой последовательности
Гармоники обратной последовательности
Гармоники нулевой последовательности
Все тройные гармоники также являются гармониками нулевой последовательности, но не все гармоники нулевой последовательности также являются тройными гармониками.
Общее гармоническое искажение
Т ЧАС D V знак равно V 2 2 + V 3 2 + V 4 2 + ⋯ + V п 2 V 1 ⋅ 100 % знак равно ∑ k знак равно 2 п V k 2 V 1 ⋅ 100 % <\ displaystyle <\ mathit 
Т ЧАС D я знак равно я 2 2 + я 3 2 + я 4 2 + ⋯ + я п 2 я 1 ⋅ 100 % знак равно ∑ k знак равно 2 п я k 2 я 1 ⋅ 100 % <\ displaystyle
Обычно мы пренебрегаем высшими гармониками напряжения; однако, если ими не пренебрегать, действительная мощность, передаваемая нагрузке, зависит от гармоник. Среднюю активную мощность можно найти, прибавив произведение напряжения и тока (и коэффициента мощности, обозначенного здесь pf ) на каждой более высокой частоте к произведению напряжения и тока на основной частоте, или
Подставляя это в уравнение для истинного коэффициента мощности, становится ясно, что величина может иметь две составляющие, одна из которых является традиционным коэффициентом мощности (без учета влияния гармоник), а одна из которых является вкладом гармоник в фактор силы:
Имена присваиваются двум различным факторам следующим образом:
Эффекты
Одним из основных эффектов гармоник энергосистемы является увеличение тока в системе. Это особенно характерно для третьей гармоники, которая вызывает резкое увеличение тока нулевой последовательности и, следовательно, увеличивает ток в нейтральном проводнике. Этот эффект может потребовать особого внимания при проектировании электрической системы для обслуживания нелинейных нагрузок.
Помимо повышенного линейного тока, различное электрическое оборудование может пострадать от воздействия гармоник в энергосистеме.
Двигатели
Электродвигатели испытывают потери из-за гистерезиса и вихревых токов, возникающих в железном сердечнике двигателя. Они пропорциональны частоте тока. Поскольку гармоники находятся на более высоких частотах, они приводят к более высоким потерям в сердечнике двигателя, чем частота сети. Это приводит к повышенному нагреву сердечника двигателя, который (в случае чрезмерного) может сократить срок службы двигателя. 5-я гармоника вызывает CEMF (противодействующую электродвижущую силу) в больших двигателях, которая действует в противоположном направлении вращения. CEMF недостаточно велика, чтобы противодействовать вращению; однако он играет небольшую роль в результирующей скорости вращения двигателя.
Телефоны
В Соединенных Штатах обычные телефонные линии предназначены для передачи частот от 300 до 3400 Гц. Поскольку в США электроэнергия распределяется с частотой 60 Гц, она обычно не мешает телефонной связи, поскольку ее частота слишком мала.
Источники
Когда синусоидальное напряжение прикладывается к линейной неизменной во времени нагрузке, такой как нагревательный элемент, ток через него также является синусоидальным. В нелинейных и / или изменяющихся во времени нагрузках, таких как усилитель с ограничивающим искажением, размах напряжения применяемой синусоиды ограничен, и чистый тон загрязнен множеством гармоник.
Когда существует значительный импеданс на пути от источника питания к нелинейной нагрузке, эти искажения тока также будут вызывать искажения формы волны напряжения на нагрузке. Однако в большинстве случаев, когда система подачи энергии работает правильно в нормальных условиях, искажения напряжения будут довольно небольшими, и их обычно можно игнорировать.
Искажение формы волны можно математически проанализировать, чтобы показать, что оно эквивалентно наложению дополнительных частотных компонентов на чистый синусоидальный сигнал. Эти частоты являются гармониками (целыми кратными) основной частоты и иногда могут распространяться наружу от нелинейных нагрузок, вызывая проблемы в других частях энергосистемы.
Классическим примером нелинейной нагрузки является выпрямитель с конденсаторным входным фильтром, где выпрямительный диод пропускает ток к нагрузке только в то время, когда приложенное напряжение превышает напряжение, хранящееся в конденсаторе, что может быть относительно небольшая часть цикла входящего напряжения.
Другими примерами нелинейных нагрузок являются зарядные устройства аккумуляторов, электронные балласты, частотно-регулируемые приводы и импульсные источники питания.